Sezione dei condensatori ceramici

Sto cercando di fare un'analisi dei guasti di un gruppo di condensatori ceramici.

Breve descrizione dell'applicazione:

10 pacchetti di condensatori ceramici da 220 µF 1210 sono posti in parallelo con una batteria da 3,6 V. Una MCU si sveglia periodicamente (massimo una volta al minuto) e assorbe corrente (picco massimo 10-15 mA per alcuni millisecondi). Il tempo totale prima di ritornare in modalità di risparmio energetico estremamente basso è di 130 ms. I condensatori dovrebbero contenere abbastanza energia per coprirlo senza scendere al di sotto di 1,6 V (tensione di alimentazione minima per l'MCU).

Ciò è necessario poiché la temperatura operativa è bassa e la batteria non è in grado di erogare. La batteria ha abbastanza tempo per ricaricare i condensatori mentre l'MCU dorme.

Sospetto cortocircuiti nei condensatori. Perché:

• La batteria si è scaricata molto rapidamente su alcuni dei miei PCB
• Da quello che ho letto i condensatori ceramici, specialmente in confezioni di grandi dimensioni, sono sensibili alle sollecitazioni meccaniche e possono rompersi, causando cortocircuiti

Per vederlo da solo ho tentato di creare sezioni trasversali, ma faccio fatica a capire cosa sto vedendo.

Come ho fatto la sezione trasversale:

• Utilizzato un dremel per tagliare l'angolo del PCB in cui sono posizionati i condensatori
• Modellato i PCB tagliati con colla epossidica per facilitare la manipolazione
• Utilizzato una lama per sega circolare diamantata per fare una sezione approssimativamente al centro dei condensatori (nel senso della lunghezza)
• Smerigliatura e lucidatura a umido fino a 1 micron e quindi 1 µ film di lappatura

L'ho ripetuto su due PCB.

Ci sono 3 condensatori uno accanto all'altro:

Qui puoi vedere una differenza di colore tra i condensatori, in alto a destra e in basso al centro sono di colore più scuro. Ma come puoi vedere, non nella stessa posizione.

Non ho abbastanza rappresentante per aggiungere tutte le immagini. Commenterò i collegamenti a tutte le immagini. Gradirei se qualcuno potesse modificare e aggiungere le immagini al post.

Quelli di colore più scuro (in alto a destra, in basso al centro) sembrano così da vicino.

Quasi quello che mi aspettavo che fosse un condensatore ceramico. Almeno puoi vedere una specie di stratificazione. Ma i livelli non sono solidi come mi aspettavo. Questo può essere un danno causato dalla levigatura e lucidatura?

La distanza tra gli strati è di 2 µm.

I colori più chiari si presentano così:

Cos'è questo?! Ad esempio correnti elevate possono far sciogliere gli strati in questo modo? O questo può essere causato anche dalla mia levigatura e lucidatura?

Qui possiamo vedere una bolla d'aria nella saldatura. Ma lo spazio vicino al fondo, può essere un danno causato da stress meccanico?

In seguito ho provato a levigare e lucidare un po 'di più i condensatori. Sembra esattamente lo stesso. Se la strana ondulazione e / o gli strati spezzati fossero stati causati dalla levigatura e dalla lucidatura, mi aspetto che le caratteristiche sarebbero cambiate. Ad esempio, uno ondulato ora ha rotto i livelli invece e viceversa.

I condensatori esatti utilizzati sono Taiyo Yuden JMK325ABJ227MM-T

Mi sembra che la levigatura / lucidatura sia stata eseguita abbastanza bene (con più attenzione potresti avere meno graffi) e stai guardando un'immagine accurata e non danneggiata della sezione trasversale del condensatore.

Le immagini "scure" sono più o meno quelle che mi aspetterei di vedere da un condensatore attraversare i piani degli elettrodi. Elettrodi metallici in una matrice di ceramica più scura. Per i condensatori di valore inferiore mi aspetto di vedere linee parallele più spesse, ma che le linee siano leggermente ondulate e spezzate non è una grande sorpresa. Mi aspetto che ciò derivi dai passi speciali che hanno preso per ottenere l'altissima capacità in un piccolo pacchetto. Forse una combinazione di elettrodi a griglia anziché di piani, e schiacciare / formare la ceramica dopo aver costruito gli strati ma prima della cottura finale al fine di rendere gli strati più sottili.

Le immagini "pallide" sono più o meno quelle che mi aspetterei da un condensatore sezionato parallelamente ai piani degli elettrodi. Supponendo che tu abbia usato una smerigliatrice metallografica (sembra simile) il tuo piano di sezione è piatto, ma gli elettrodi no. In questo modo si ottengono caratteristiche simili al contorno in cui l'elettrodo attraversa il piano di sezione.

Dubito che troverai la tua perdita in queste immagini. Altri posti in cui cercare:

• Controllare i fogli dati per la resistenza prevista. È alto come pensavi? Controllare le condizioni in cui è riportato nel foglio dati, vedere se è probabile che l'ambiente peggiori.
• Controllare un gruppo di nuovi condensatori per vedere quali sono le resistenze
• Controllare un gruppo di condensatori dai rendimenti della garanzia per vedere se la capacità o la resistenza sono cambiate.
• Misura le resistenze sul tuo PCB prima del montaggio (dovrebbe essere bello e alto)
• Misurare la resistenza su un PCB completo (forse senza MCU). Cerca prove del flusso che non è stato pulito abbastanza bene e potrebbe ridurre la resistenza.

Presumo che lo scopo di questo esercizio sia quello di sorgente condensatori che sono OK.

A meno che tu non stia comprando milioni di cose, e così avrebbe il peso d'acquisto per far ascoltare il produttore, fare analisi fisica dei condensatori non ti farà avanzare lungo la strada di poter ottenere buoni pezzi, anche se riesci a capire cosa c'è che non va e come cambiare il processo del produttore.

Innanzitutto, identificare tutti i diversi produttori di condensatori. Quindi acquistare alcuni campioni di un condensatore adatto da ciascuno. Misurare la loro perdita prima della saldatura. Saldare alle schede e rimisurare la loro perdita. Identificare il numero di parte specifico che è OK per l'acquisto o che non deve essere acquistato a seguito di questi test. Quindi attenersi a buoni numeri di parte.

Avvertenza, le misurazioni delle perdite sono difficili da fare bene, attendere abbastanza a lungo, controllare le correnti parassite come il DMM e le correnti di ingresso dell'amplificatore, assicurarsi che i contaminanti superficiali non stiano perdendo la scheda.

220uF è molto per un condensatore SMD. È possibile ottenere risultati migliori utilizzando un rapporto capacità / volume meno estremo, anche se ciò significa utilizzare più parti. I produttori utilizzano ceramiche diverse per rapporti C / V diversi e si potrebbe scoprire che la perdita è stata sacrificata per la capacità nel particolare rapporto dimensionale acquistato. Si noti che designazioni come X7R, Y5U ecc. Non identificano la ceramica, ma solo le specifiche di tempco e tolleranza. Non identificano il voltco (una pessima caratteristica delle ceramiche ad alto rapporto C / V) e non identificano anche le specifiche di dispersione.